臭氧生物活性炭深度處理工藝在泉州金雞水廠的應(yīng)用研究

陳春玲

（泉州市市政工程中心，福建 泉州 362300）

引言

很多城市的水源在發(fā)展建設(shè)期間遭受了不同程度的污染，為保障城市供水的安全性，供水廠需借助特定工藝技術(shù)對水源進(jìn)行凈化處理，使供水水質(zhì)可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，提升飲用水品質(zhì)。而在處理凈化水源的過程中，臭氧生物活性炭深度處理工藝脫穎而出，被各大供水廠所關(guān)注。泉州金雞水廠建成后，承擔(dān)起泉州中心市區(qū)主要供水職責(zé)，為提升飲用水品質(zhì)而設(shè)計(jì)采用了臭氧生物活性炭深度處理工藝，以先進(jìn)技術(shù)為支撐，使其水質(zhì)各參數(shù)均大幅超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 金雞水廠概況及現(xiàn)狀

為增強(qiáng)臭氧生物活性炭深度處理工藝應(yīng)用研究的針對性，本次研究選取泉州金雞水廠為研究對象展開分析。泉州金雞水廠由泉州市國資委下屬泉州市自來水有限公司建設(shè)，屬于民生工程項(xiàng)目，投資為6.58億元。建設(shè)地點(diǎn)位于南安市豐州鎮(zhèn)旭山村，占地面積為241.96畝，是福建省首家運(yùn)用深度處理工藝的現(xiàn)代化水廠。由于采用深度處理工藝，其出廠水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，且大幅超過標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，為泉州中心市區(qū)及南安豐州鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水提供了堅(jiān)實(shí)保障。在后續(xù)發(fā)展中，金雞水廠遵循當(dāng)代綠色低碳環(huán)保理念，將綠化景觀及環(huán)保生態(tài)等理念融入供水廠規(guī)劃建設(shè)中，旨在打造“花園式”水廠，在確保金雞水廠供水功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境[1]。

2 金雞水廠在飲用水品質(zhì)凈化方面的需求及存在的問題

泉州中心市區(qū)此前僅有泉南、北區(qū)、金浦三座水廠，其中北區(qū)水廠已滿負(fù)荷運(yùn)行，泉南、金浦水廠高峰期已近飽和，而泉州城市化進(jìn)程明顯加快，人口快速增長，用水供需矛盾日漸顯現(xiàn)。泉州金雞水廠的建設(shè)，作為省、市重點(diǎn)項(xiàng)目，可緩解市區(qū)主要由泉南水廠供水的格局，解決中心市區(qū)用水供需矛盾，對保障城市供水安全、提高居民用水水質(zhì)、改善投資環(huán)境、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

此外，2009年10月至2012年9月，金雞水廠建設(shè)前委托泉州市環(huán)境監(jiān)測站、廈門供水水質(zhì)監(jiān)測站進(jìn)行水源監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)晉江干流庫區(qū)水質(zhì)已出現(xiàn)溶解氧、總磷、總氮、糞大腸菌群、鐵、錳等指標(biāo)經(jīng)常性超標(biāo)的現(xiàn)象，其他指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)，總體水質(zhì)相比歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)有越來越惡化的趨勢。泉州市作為國家歷史文化名城、對外開放旅游城市，金雞水廠設(shè)計(jì)采用目前國際較為先進(jìn)的臭氧生物活性炭深度處理工藝，將泉州市供水水質(zhì)提高，各參數(shù)高于國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并逐步與國際先進(jìn)水平接軌[2]。

3 臭氧生物活性炭深度處理工藝在金雞水廠的具體應(yīng)用

3.1 工藝方案

臭氧生物活性炭深度處理工藝屬于綜合性凈化工藝，集生物氧化降解、臭氧化學(xué)氧化、臭氧滅菌消毒、活性炭物理化學(xué)吸附方法為一體。該工藝對水質(zhì)提升效果顯著：（1）我國常規(guī)的自來水加氯工藝處理污水后，部分情況下會(huì)出現(xiàn)Ames致突變試驗(yàn)呈陽性的現(xiàn)象，而采用臭氧生物活性炭深度處理工藝處理后為陰性。（2）該工藝可去除50%以上的有機(jī)物，處理效果超出常規(guī)工藝15%～20%。（3）臭氧生物活性炭深度處理工藝能夠改善并優(yōu)化感官性指標(biāo)，且可有效提高嗅味值及鐵、錳、色度的去除率[3]。（4）采用該工藝可去除90%以上的氨氮，且水中亞硝酸鹽氮、氨氮經(jīng)生物氧化后變?yōu)橄跛猁}，繼而起到降低后氯化投加量、減少三鹵甲烷生成的作用。（5）對蛋白氨氮、可同化有機(jī)碳具有良好的去除效果，大幅提升管網(wǎng)水質(zhì)。

3.2 主要構(gòu)筑物

圖1為案例金雞水廠臭氧生物活性炭深度處理工藝整體布局，具體如下：取水泵站→配水井→預(yù)臭氧接觸池→折板絮凝池→平流沉淀池→砂濾池→提升泵→后臭氧接觸池→活性炭濾池→清水池→送水泵房[4]。

3.2.1 預(yù)臭氧接觸池

選擇臭氧展開預(yù)氧化的原因如下：（1）若采用原工藝方法借助Cl2進(jìn)行預(yù)氧化，則因此形成的有機(jī)氯化物在后續(xù)工序中難以運(yùn)用生物活性炭將其去除，而運(yùn)用預(yù)臭氧化則無法形成氯化消毒副產(chǎn)物。（2）運(yùn)用C102、C12展開預(yù)氧化處理，此時(shí)所形成的余氯將與后續(xù)添加的臭氧產(chǎn)生干擾，繼而削弱主臭氧氧化效果。（3）預(yù)臭氧投加量與水凈化效果之間存在緊密關(guān)聯(lián)，當(dāng)預(yù)臭氧投加量處于0.9～1.2 mg／L范圍時(shí)，會(huì)達(dá)到90%以上的藻類去除率，且出水濁度低于0.2 NTU，凈化效果遠(yuǎn)好于未投加預(yù)臭氧時(shí)的效果[5]。由此可見，預(yù)臭氧處理工藝效果顯著，是深度處理工藝中必不可少的環(huán)節(jié)。

圖2為金雞水廠預(yù)臭氧接觸池設(shè)計(jì)圖，其預(yù)臭氧接觸池平面尺寸為10.2×18.3×7.25 m，水深為6.3 m，預(yù)臭氧接觸時(shí)間、投加量、余臭氧控制指標(biāo)分別為5.92 min、0.5～1.5 mg/L、0.1 mg/L。考慮到金雞水廠原水中顆粒物較多，難免出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此可通過投加預(yù)臭氧形式進(jìn)行射流擴(kuò)散，依托水射器營造負(fù)壓吸入臭氧氣體，經(jīng)多孔擴(kuò)散管后，氣水混合液與池內(nèi)水逐漸混合。

圖2 預(yù)臭氧接觸池

3.2.2 主臭氧接觸池

該構(gòu)筑物在臭氧生物活性炭深度處理工藝中的作用主要有：（1）殺死原水中的病原體、病毒、細(xì)菌等；（2）促進(jìn)氧化反應(yīng)，使大分子有機(jī)物逐漸轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，為后續(xù)活性炭吸附降解有機(jī)物奠定基礎(chǔ)；（3）確?；钚蕴績?nèi)微生物能夠在足夠氧源環(huán)境下穩(wěn)定生長[6]。金雞水廠一期工程主臭氧接觸池共1座2格，每格處理規(guī)模為10萬m3/d?？偝叽鐬?7.15×10.20×6.95 m，水深為6.0 m，O3投加量、余臭氧控制指標(biāo)、接觸時(shí)間分別為1.5～2.5 mg/L、0.2 mg/L、12 min。該主臭氧接觸池分為串聯(lián)三級(jí)，各級(jí)共有接觸、反應(yīng)兩段。在該工藝體系中，三級(jí)接觸反應(yīng)時(shí)間分別為4 min、4 min、4 min，臭氧投加量分別為40%、30%、30%。金雞水廠主臭氧擴(kuò)散裝置采用陶瓷微孔曝氣盤，根據(jù)每個(gè)投加點(diǎn)的曝氣量布置相應(yīng)數(shù)量的曝氣頭[7]。

3.2.3 臭氧發(fā)生系統(tǒng)

圖3為金雞水廠臭氧發(fā)生系統(tǒng)，由供電單元、臭氧發(fā)生器、閉路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、主PLC、尾氣破壞裝置、臭氧投加系統(tǒng)構(gòu)成，整個(gè)臭氧發(fā)生系統(tǒng)均可借助主控制柜EC觸摸屏控制，水廠人員可直接于觸摸屏上完成臭氧濃度、臭氧投加量、放電電流等運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定和修改，且可基于觸摸屏實(shí)時(shí)查詢與了解各工藝環(huán)節(jié)的具體運(yùn)行狀態(tài)。金雞水廠預(yù)臭氧投加量、后臭氧投加量分別為0.5～1.5 mg/L、1.5～2.5 mg/L，一期工程臭氧最大投加量為800 kg/d。臭氧發(fā)生車間配備3臺(tái)臭氧發(fā)生器，2用1備，總臭氧發(fā)生量約為45 kg／h。單臺(tái)臭氧發(fā)生器在外環(huán)冷卻水水溫為25 ℃，臭氧濃度為10 wt%的狀態(tài)下，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為15 kgO3/h；單臺(tái)臭氧發(fā)生器在外環(huán)冷卻水水溫為25 ℃，臭氧濃度為6 wt%的狀態(tài)下，最大產(chǎn)量為20 kgO3/h[8]。在臭氧發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)行期間，采用液氧站的液氧作為氧源，因此在此構(gòu)筑物中不考慮現(xiàn)場制備氧氣。

圖3 臭氧發(fā)生系統(tǒng)

3.2.4 提升泵站

臭氧生物活性炭深度處理工藝中的提升泵站主要作用是將砂濾池內(nèi)濾后水提升至主臭氧接觸池。金雞水廠臭氧生物活性炭深度處理工藝提升泵站總提升量、提升高度分別為8 333 m3／h、8 m，提升泵為離心泵，共設(shè)3臺(tái)，其中2用1備。單臺(tái)額定流量Q=5 200 m3/h，揚(yáng)程H=8 m，N=160 kW。考慮到常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物因沉淀池排泥和濾池反沖洗造成砂濾池來水量產(chǎn)生波動(dòng)，故在泵房內(nèi)設(shè)置變頻調(diào)速裝置，使泵組可提升流量適應(yīng)來水量的變化[9]。

3.2.5 活性炭濾池

臭氧生物活性炭深度處理工藝中的活性炭濾池的主要作用為：（1）破壞水中臭氧，該過程主要發(fā)生于活性炭濾池上方位置；（2）可良好去除水中的化學(xué)成分，且可良好完成氧化副產(chǎn)物的吸收，極大保障了深度處理效果；（3）可借助活性炭表面生物活動(dòng)完成對生化副產(chǎn)物的降解。在整個(gè)工藝系統(tǒng)中，活性炭濾池前期主要表現(xiàn)為物理吸附，待活性炭表面形成生物膜后，此時(shí)物理吸附作用逐漸削弱，其功能更換為生物降解、生物吸附[10]。

活性炭濾池池型可直接影響濾料流失率、構(gòu)筑物占地面積、工程造價(jià)等，因此金雞水廠新建臭氧生物活性炭深度處理工藝設(shè)施時(shí)，對多種池型進(jìn)行了技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性對比，最終選用翻板濾池形式建設(shè)活性炭濾池。該池型具有排水、沖洗不同步的特征，即沖洗與排水不可同步進(jìn)行。從工藝實(shí)踐角度看，翻板濾池具有工程造價(jià)低、占地面積少、反沖洗水耗小、濾料流失率低的優(yōu)勢[11]。金雞水廠結(jié)合功能用途確定活性炭濾池運(yùn)行參數(shù)，若用于去除臭味，則接觸時(shí)間需設(shè)定為8～10 min；若主要用于去除CODMn，則最佳接觸時(shí)間為12～18 min。對于金雞水廠而言，其最為主要的功能是去除有機(jī)物，為保障深度運(yùn)行效果，其將空床接觸時(shí)間設(shè)定為18 min。

最佳活性炭濾池炭床厚度為1.8～2.5 m，若低于1.8 m，則濾速不達(dá)標(biāo)，且會(huì)增大占地面積，造成不必要的成本；若厚度超過2.5 m，則會(huì)出現(xiàn)炭床反沖洗效果不佳的現(xiàn)象。金雞水廠相關(guān)人員綜合考慮空床接觸時(shí)間、可用占地面積后，最終將活性炭濾池炭床厚度設(shè)計(jì)為2.4 m。在以往的活性炭濾池中，采用單層生物活性炭形式進(jìn)行工藝處理時(shí)，通常會(huì)存在細(xì)菌總數(shù)、濁度上升的現(xiàn)象，而金雞水廠為避免該問題，于活性炭濾池炭床下方鋪設(shè)石英砂，厚度為0.6 m，粒徑處于0.8～1.2 mm區(qū)間內(nèi)[12]。鋪設(shè)石英砂濾層可提高表面微生物生長的安全性，并可保障出水濁度。經(jīng)處理后，出水濁度可達(dá)0.1 NTU，且具備一定的細(xì)菌截留作用，能夠進(jìn)一步提升凈化處理效果。

3.2.6 炭濾池的運(yùn)行

金雞水廠炭濾池反沖洗采用先氣沖洗、再氣水混合沖洗、最后水沖洗的方式。活性炭濾池單獨(dú)水沖方式會(huì)造成炭床沖洗不干凈、老化生物膜難以去除、炭床間容易形成泥球等問題。而氣水反沖洗采用沖洗強(qiáng)度較高的氣沖，可以松動(dòng)和摩擦炭床，使附著的生物絮體剝落并促成吸附雜質(zhì)的脫附，其后的水沖再將脫附的雜質(zhì)和脫落的生物膜排出[13]。

4 成本核算

4.1 建設(shè)成本

構(gòu)筑物建設(shè)成本：臭氧發(fā)生間：230萬元；預(yù)臭氧接觸池：135萬元；活性炭翻板濾池：1 789萬元；后臭氧接觸池：198萬元，土建合計(jì)約為2 300萬元。

設(shè)備臭氧系統(tǒng)：1 400萬元；活性炭：1 300萬元；砂：100萬元；自動(dòng)化及設(shè)備：1 000萬元，共計(jì)3 800萬元。

合計(jì)總體投資約為6 100萬元。

4.2 運(yùn)營成 本

運(yùn)營成本包括：電費(fèi)：提升泵、空壓機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、反沖洗泵、臭氧發(fā)生系統(tǒng)55 kwh/km3×0.75元/kwh，合0.04元/m3；液氧費(fèi)：30 g/m3×780元/噸，合0.023元/m3；活性炭及砂：按8年換算，1 400萬/8/365/17萬m3，合0.028元/m3；冷卻水及反沖洗水：暫不算；折舊：構(gòu)筑物及設(shè)備（不含炭砂）為4 700萬元，每年為7%，合0.053元/m3。因此合計(jì)直接成本為0.04+0.023+0.028+0.053=0.144元/m3（不含人工費(fèi)）。

5 結(jié)語

綜上所述，金雞水廠為遏制原水水質(zhì)惡化現(xiàn)象而引進(jìn)了臭氧生物活性炭深度處理工藝，同時(shí)響應(yīng)了當(dāng)?shù)靥嵘鞘泄┧|(zhì)行動(dòng)方案的號(hào)召。在工藝建設(shè)期間，金雞水廠按照工藝流程及運(yùn)行要求科學(xué)設(shè)置了預(yù)臭氧接觸池、主臭氧接觸池、臭氧發(fā)生系統(tǒng)、提升泵站、活性炭濾池等設(shè)施，并合理設(shè)計(jì)工藝參數(shù)。作為當(dāng)?shù)厥准页粞跎锘钚蕴可疃忍幚砉に囁畯S，金雞水廠展現(xiàn)出良好的運(yùn)行效果，提升了城市供水水質(zhì)，改善了居民飲用水口感。